第41卷第3期2021年6月
气象科学
Journal of the Meteorological Sciences
Vol.41,No.3
Jun.,2021
叶天，余锦华，叶梦茜，等.中国区域性骤发干旱特征分析.气象科学,2021,41(3):295-303.
什么是白皮书YE Tian,YU Jinhua,YE Mengxi,et al.Analysis of the characteristics of regional flash drought in China.Journal of the Meteorological Sciences,2021,41(3)：295-303.
中国区域性骤发干旱特征分析
叶天余锦华叶梦茜谢洁宏
(南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京210044)
摘要基于国家气象信息中心2400多个观测站的候平均日最高气温、GLDAS2.0/2.1的土壤湿度、蒸散发资料和ERA5的500hPa位势高度、925hPa风场再分析资料，定义了格点骤发干旱指数，在分析1979—2017年4—9月中国区域骤发干旱气候特征和骤发干旱指数的经验正交展开空间模态的基础上，确定骤发干旱发生频繁及变率大的区域，给出了区域性骤发干旱事件的识别标准，并对其演变过程进行合成分析，最后分析了典型个例的要素和环流特征。结果表明：骤发干旱多发于我国南方夏季，其中7月最多，以湖南和浙江地区发生最为频繁，这两个区域也是骤发干旱发生气候变率最大的区域。合成分析显示，高温是两个区域骤发干旱爆发的主要驱动因素：干旱爆发前一候，气温迅速升高，蒸散发快速增大，土壤湿度下降明显。2013年6—7月在湖南区域爆发了两次骤发干旱事件。第一次干旱爆发前，湖南地区500hPa位势高度迅速增大，异常下沉气流导致降水减少和绝热增温，蒸散发随气温升高而增加，使土壤湿度减少，这次干旱由高温驱动；
第二次干旱爆发前期，明显偏西、偏北且稳定的西北太平洋副热带高压使地表太阳净辐射通量增强、近地层的偏南气流使高温维持，蒸散发随降水而变化，这次干旱为降水减少所驱动，高温起促进作用。
关键词区域性骤发干旱；高温；蒸散发；土壤湿度
分类号：P466doi：10.12306/2020jms.0006文献标识码：A
Analysis of the characteristics of regional flash drought in China
YE Tian YU Jinhua YE Mengxi XIE Jiehong
(心y厶abora£ory o/M，血s£ry宓KAME)/Co〃abora伍©e力兀CeMer on Forecast a兀d o/Me^eoro/og/ca/Disasters(C/C-FEMD),Na"，昭University qf Information
Sc/ence&Technology,Nanking210044,China)
Abstract Bad on the climatological average daily maximum temperature of more than2400 obrvation stations of the National Meteorological Information Center,the soil moisture and evapotranspiration data of GLDAS2.0/2.1,the reanalysis data of500hPa geopotential height and925 hPa wind field of ERA5,the grid sudden drought index was defined.And on the basis of the analysis of the climate characteristics of flash drought and the spatial mode of empirical orthogonal expansion of abrupt drought index in China from April to September during1979-2017,the regions with frequent flash droughts and high variability were determined,the identification criteria of regional flash drought events were given,and the evolution process was analyzed synthetically.Finally,the elements and circulation characteristics of typical cas were analyzed.Results show that flash droughts occur mostly in summer of southern China,and most frequently in July,especially in Hunan
and Zhejiang,which are also the
收稿日期(Received)：2019-10-25；修改稿日期(Revid)：2020-02-07
基金项目：国家重点研发计划重点专项(2018YFC1507704)
通信作者(Corresponding author)：余锦华(YL Jinhua).jhyu@nuist.edu
296气象科学41卷
regions with the largest climate variability.Synthetic analysis shows that high temperature is the main driving factor of flash drought outbreak in the two regions:before the drought outbreak,the temperature and the evapotranspiration increas rapidly,and the soil moisture decreas significantly.Two flash drought events occurred in Hunan Province from June to July in2013.Before the first drought,the500 hPa geopotential height over Hunan incread rapidly,the abnormal downdraft resulted in the decreasing of precipitation and adiabatic warming,and the evapotranspiration incread with the increasing of temperature,all of which result in the decreasing of soil moisture.So this drought was driven by high temperature；in the early stage of the cond drought,the Northwest Pacific subtropical high,which is obviously westward,northward and stable,en
hanced the surface net solar radiation flux,maintained the high temperature due to the southerly airflow near the stratum,and the evapotranspiration changed with the precipitation.The drought was driven by the decreasing of precipitation,and the high temperature played a promoting role.
Key words regional flash drought；high temperature；evapotranspiration；soil moisture
引言
干旱指一定时间段内，某地区由于水分支出远大于水分收入，引起水分短缺，难以满足植物生长或人们生产生活实践对水分需求的一种自然灾害现象。随着全球增暖，干旱事件的发生频率和范围都有所增加，严重影响了人类的生活和社会经济的发展［|-3］，如2003年江南、华南等地出现伏秋连旱; 2009—2010年西南地区出现严重特大干旱；2013年江南大部、华南北部出现历史罕见的高温干旱事件。研究干旱事件特征及其成因尤为重要。刘银峰等⑷利用再分析资料从热力学异常角度探讨了2006年热源异常与夏季西太平洋副热带高压和川渝地区旱涝的关系；晏红明等［5］和郑建萌等［6］诊断分析了2009—2010年云南特大干旱的气候特征及成因；夏扬等［7］和李瞳等［8］分析了2013年长江中下游地区的夏季高温干旱的环流特征及其成因；沙天阳等⑼对我国西南地区东部秋季干旱的环流特征和成因进行了分析。
传统研究将干旱分为四类：（1）以降水指标划分为主的气象干旱类，这类干旱事件主要特征为降水
减少，其发展和结束都可能发生在较短时间内；（2）以土壤水分和作物指标划分的农业干旱类，在农作物生长期对其产量产生影响；（3）以地表径流和地下水指标划分的水文干旱类；（4）以供水和人类需水指标划分为主的社会经济干旱类。不同类型干旱之间关系复杂，一般以气象干旱最先发展。气象干旱主要以降水和气温观测数据定义的SPEI 指数和PDSI指数识别，大多维持月及以上时间尺度。关于这类干旱特征及成因方面做了很多研究，如安迪等［10］利用SPEI指数分析了黄淮流域及周边地区近54a夏季干旱变化及其异常成因；黄庆忠等［11］利用Time-Series（TS）Version3.23高分辨率气候栅格数据集以及NCEP再分析数据，计算得到SPEI指数，研究了1949—2014年中国区域干湿气候变化特征及其成因；刘珂等［12］先采用气候变化趋势转折判别模型分析了1961—2009年我国8个区域夏、冬季气温和降水的年代际变化，而后利用PDSI干旱指数研究了夏、冬季极端干旱在年代际尺度上的时空变化特征及其成因。
“骤发干旱”即气象条件驱动的农业干旱，与传统干旱认为降水减少是驱动干旱的主要因素不同，高温热浪可能是骤发干旱的驱动因素［13-14］o传统的干旱指数不能及时反映天气变化状况，进而较难监测“骤发干旱”事件。如2012年美国中部大平原地区，持续降水异常偏少并伴随着高温热浪和充足的日照，使得蒸散发异常增大，植被和作物根区土壤湿度迅速减少，最终枯萎甚至死亡［15］，此次干旱带有突发性且其部分机理当时不太明确，造成了严重的经济损失。这类干旱具有发生发展迅速、强度大、范围广和破坏性强的特点，因此也被称为“骤发干旱”［16-17］。骤发干旱事件在农作物生长季较
常见［16］，在传粉受精或灌浆期等农作物生长关键阶段，虽持续时间短，但由于水分的缺少而导致农作物产量大幅下降［18-19］o
目前国内外关于“骤发干旱”的研究处于起步阶段。大多数研究认为，植被根区土壤湿度快速下降到低于某一阈值则认为爆发骤发干旱。选取一系列指数，如蒸发胁迫指数［13-14,20-21］、土壤湿度指数［22］、快速变化指数［23］等研究骤发干旱早期爆发
3期叶天，等：中国区域性骤发干旱特征分析297
成因。还有一部分研究集中在骤发干旱的持续状态，如Mo,et al［16］使用气温、土壤湿度和蒸散发的候数据定义了骤发干旱并分析了近百年美国骤发干旱的变化趋势;WANG,et al［24］利用相似方法发现一类骤发干旱事件多发于我国南方湿润地区，另一类发生在我国北方地区，并与季节性干旱联系起来；ZHANG,et al［25-26］利用CMIP5模式降尺度资料耦合VIC陆面水文模型，研究了赣江流域骤发干旱的变化特征并进行了未来评估；张翔等［27］分析了1983—2015年我国农业区域的三类骤发干旱的时空分布特征。
2013年夏季，我国南方多地持续高温少雨，受灾严重。本文参考了我国区域骤发干旱的研究观点，基于已有的研究，定义了格点骤发干旱指数，找出该类干旱在我国主要发生的区域，将其作为研究区域，给出区域性骤发干旱事件指标，分析我国区域性骤发干旱事件的气候特征，并诊断2013年区域典
型骤发干旱事件影响要素及环流场的变化。研究结果有助于深入认识我国区域性骤发干旱事件特征及其发生发展过程，为干旱预报预警提供科学依据。
1资料和方法
1.1资料
气温和降水的逐日资料来源于中国气象局国家气象信息中心1961—2017年的2400多个观测站。由于缺乏直接观测，土壤湿度和蒸散发数据选用了全球陆表同化数据系统GLDAS(Global Land Data Assimilation System) 2.0版本(1979—2010年)［24］和2.1版本(2011—2017年)的每3h数据集，分辨率为0.25°x0.25。。选用ECMWF对全球气候的第五代大气再分析资料ERA5(Fifth Generation of ECMWF Atmospheric Reanalysis of the Global Climate)的1979—2017年的逐小时、分辨率为0.25°x0.25°的500hPa位势高度、925hPa风场和地表净太阳辐射通量资料研究区域性骤发干旱事件发生的环流背景及成因。
先剔除气温和降水资料中连续缺测超过1个月的站点，将其插值为格点数据，再将蒸散发和土壤湿度资料、500hPa位势高度、925hPa风场和地表净太阳辐射通量资料处理为逐日数据。考虑到1m 内的土壤水分能满足大部分作物根部水分、营养吸收的需求［28］，本文选用了1m内的土壤湿度来研究骤发干旱。由于骤发干旱持续时间短，为了有效捕捉骤发干旱事件，在对典型个例分析之前，气温、降
水、蒸散发和土壤湿度数据均使用候平均时间尺度进行分析［24］(5、7和8月的最后一个候为6d平均)，在对区域典型事件过程分析时则使用逐日资料。
1.2格点骤发干旱的定义
考虑到高温热浪与骤发干旱有关，但气温大于1个标准差并不是真正意义上的高温热浪。因此，本文中格点骤发干旱定义如下：
TM35七且ET a>0且SM%W30。(1)式中：T为日最高气温的候均值(单位:C)；ET a为蒸散发候均值的距平(指相对于1979—2017年的候平均，单位:mm-d-');SM%为整个时间序列内土壤湿度百分位数［29］o在候时间尺度上，满足上述标准则认为该格点发生了骤发干旱。
1.3区域性骤发干旱事件的识别
首先找出研究的关键区域：对1979—2017年4—9月格点骤发干旱候数的时间序列(我国区域外处理为缺测)进行经验正交展开(Empirical Orthogonal Function,EOF)分析并进行North显著性检验，选取结果通过检验的特征向量进行旋转经验正父展开(Rotational Empircal Orthogonal Function, REOF)，识别空间型并选择旋转空间模态的高载荷区域作为关键区域。
若同一候，区域中至少有50%的格点同时发生骤发干旱，则将该候定义为该区域爆发骤发干旱事件的
起始候，直到结束候，定义为一次区域性骤发干旱事件。在确定区域性骤发干旱事件过程中，若相邻的两次事件间隔不超过1候，仍认为是一次区域性骤发干旱事件。
2结果分析
相信自己零点乐队2.1格点骤发干旱的气候特征
图1为1979—2017年4—9月植被生长季格点骤发干旱各月发生候数和总发生候数的气候态。可以看出，近39a骤发干旱多发于我国南方夏季，且7月发生最多,8月其次,6月河南南部也发生过几次；骤发干旱平均每年发生1〜1.6候，有两个大值中心，分别位于湖南省中南部和浙江省西南部地区。这与Mo,et al［16］和WANG,et al［17］的结论类似，骤发干旱多发生在较湿润地区，主要因为较湿润地区水汽条件充足，高温条件下蒸散发增强，使土壤水分快速减少，有利于发生骤发干旱。
298
气 象 科 学41卷
50°N-
40 -30 -
20 -80 90 100 110 120 130°E
80 90 100 110 120 130°E 80 90 100 110 120 130°E 0.60.50.40.30.2
80 90 100 110 120 130°E
50°N-
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-
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0.60.50.40.30.2
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图1 1979—2017年4—9月格点骤发干旱(a —f)各月发生候数和(g)发生总候数的气候态(单位：候-a -1)Fig.1 The climatic state of the flash droughts of ( a-f) each month and ( g) the total number from April to September ,
1979-2017(unit ： pentads • a -1 )
2.2选取关键区域
对1979—2017年骤发干旱发生候数的时间序
列进行EOF 分析（表1），可见,EOF 前3个模态通
过了显著性检验，且前3个主成分的累积方差贡献
达到55. 8%，第一主成分方差贡献最大，达到 38. 3%，第二、三主成分的方差贡献分别为10. 3%和
7.2%。第一典型场表现为我国东南部地区的一致
性特征，中心位于湖南、江西和浙江西部地区（图
2a ）；第二典型场为东南一西北反向分布型，即浙
江、福建等地区与湖南、湖北骤发干旱的发生是反
位相（图2b ）；第三典型场显示出从东南向西北的
“正一负一正”三极型态（图2c ） o
为进一步揭示骤发干旱发生的地域性特征，对
EOF 的前10个主成分进行方差极大正交旋转。由
表1可以看出，旋转后的前3个主成分的方差贡献
分别为27. 3%、16. 4%和5. 5%，累积方差贡献值为 49. 2%o 从前3个旋转空间模可以看出，前3个旋
长城皮卡汽车转空间模中高载荷区主要分别位于湖南中北部地 区（图2d ）、浙南闽北地区（图2e ）和川渝交界地区
（图2f ）o 因此选取3个骤发干旱发生频繁及变率大
的区域:A （26O ~30°N,110O ~114°E ）、B （28。〜30°N,
117°~121°E ）和 C （29°~33°N,106°~110°E ），分别对
应着前3个旋转空间模的高载荷区域。
2.3区域性骤发干旱事件
按照区域性骤发干旱事件（简称事件）的识别
标准，得到近39 a 3个区域爆发的区域性骤发干旱 事件频数的时间序列和不同持续候数干旱事件的
频数（图3）o
湖南中北部地区（A 区域）1979—2017年共爆
发骤发干旱事件16次。图3a 显示，近10 a 来骤发 干旱事件爆发次数明显偏多，并且大部分事件持续
表1 1979—2017年骤发干旱发生候数的EOF 和REOF 分析
前10个模态方差贡献
Table 1 Variance contribution of the first 10 modes of EOF and
REOF analysis of flash droughts from 1979 to 2017
模态序号
EOF
REOF
方差贡献/%
累积方差
贡献/%显著性方差贡献/ %累积方差
贡献/%138.338.3显著27.327. 3
210.3
48.6
显著16.4
43.73
7.255. 8显著 5.5
49.2
4 5.661.4不显著 5. 154.3
5
4.866.2
不显著 5.3
59.66 3.3
69.5不显著 3.7
63.37
3. 172.6
不显著 5. 168.4
8 2.575. 1不显著 3.872.2
9 2. 177.2不显著 3.3
75.510
2.0
79.2
不显著
3.7
79.2
时间为1候，持续两候的事件出现了 1次，最长一次
事件持续了 7候（图3d ）o 浙南闽北地区（B 区域） 1979—2017年共爆发19次事件，比A 区域干旱事刘敬宣
件多爆发3次，最多的3次爆发在1994年，近10 a
其爆发次数比A 区域少（图3b ）o B 区域事件的持
续时间多为1~2候，出现过2次持续时间达6候的
干旱事件（图3e ）o 川渝交界地区（C 区域）骤发干
旱事件爆发次数不多，1997年和2006年各爆发2 次区域性骤发干旱事件，且持续时间多为1候（图 3c 、f ） o
为研究区域性骤发干旱事件的演变特征，针对
久字开头的成语A 、
B 两个区域，分别分析了日最高气温、蒸散发异
3期
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50°N-
40 -30 -
20 -50°N-
40 -30 -
20 -
80
90 100 110 120 130°E 80 90 100 110 120 130°E 80 90 100 110 120 130°E
6 5 4 3 2 1
0 0 o O 0 0-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5-0.6
图2 1979—2017年骤发干旱发生候数的(a —c)EOF 前3个模态及(d —f)对应的REOF 模态(黑色实线内载荷值绝对值M0. 4):
西洋参的好处(a) EOF1；(b) EOF2；(c) EOF3；(d) REOF1；(e) REOF2；(f) REOF3
Fig.2 ( a-c) The first three EOF modes and( d-f) the corresponding REOF modes of flash droughts from 1979 to 2017
(The black solid lines indicate the absolute value of the load value M 0.4)：(a) EOF1；(b) EOF2；(c) EOF3； (d) REOF1；(e) REOF2； (f) REOF3
2
® 1
12840
(d)
3報2
® 1
0(b)
教师帮扶学生记录
nnnn 山曲aw 打川
128
4
0(e)
4
出类
(c)
2
012345678
持续候数
2
软i
® 1
01980
1990
2000 2010
年份
图3 1979—2017年3个区域(a —c)骤发干旱事件频数时间序列和(d —f)不同持续候数干旱事件频数：
(a 、d) A 区域；(b 、e) B 区域；(c 、f) C 区域
Fig.3 ( a-c) Time ries of frequency of flash drought events and( d-f) frequency of different duration drought events in three regions
from 1979 to 2017 ：( a,d) region A ；(b,e) region B ；(c,f) region C
常、土壤湿度百分位数和降水异常4个要素在干旱 事件爆发前两候到爆发后两候期间的演变过程。图4为A 区域骤发干旱事件的演变过程。骤
发干旱爆发前两候，气温较低，降水、蒸散发和土壤
湿度基本在常年平均的状态（图4a —d ），在干旱事 件爆发前1候，湖南和湖北等地的气温开始升高
（图4e ），蒸散发也开始增加（图4f ），同时降水开始
低于正常水平（图4h ），土壤湿度开始下降（图4g ） o
干旱爆发候，湖南湖北等地的气温相比于前1候迅
速增加，达到35 C 以上（图4i ），蒸散发也迅速增大
（图4j ），此时降水维持负距平（图4l ）, 土壤湿度明
显迅速下降，土壤湿度百分位数基本维持在20%以
下（图4k ） o 事件爆发后1候（图4m —p ），高温消
退，降水和蒸散发基本恢复正常，但土壤湿度仍低
于临界值，虽然范围缩小，但干旱仍在持续，甚至持 续到事件爆发后两候（图4s ）o 值得注意的是，在事
件爆发前1候的降水已经是亏损状态，此时土壤湿
度略低于临界值，当气温迅速升高时，蒸散发迅速
增大，导致土壤湿度快速减小，因此事件的发生主
要是由高温驱动，降水不足为干旱的发生发展提供 了有利条件。
分析了 B 区域骤发干旱事件的演变过程（图 略）之后发现，和A 区域类似,B 区域事件的爆发也
是主要由高温驱动，爆发前气温迅速升高，蒸散发
迅速增大，降水异常偏少，导致土壤湿度快速下降, 部分地区远低于临界值。在事件爆发后1候气温、
